Nghiên cứu tính toán khung liên hợp thép bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn châu âu trong điều kiện việt nam (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
--------------------------------------

NGUYỄN VIẾT HIỆN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KHUNG LIÊN HỢP
THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU
TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ:
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
--------------------------------------

NGUYỄN VIẾT HIỆN
KHÓA: 2012 – 2014

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KHUNG LIÊN HỢP
THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Mã số:60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VÕ THÔNG

Hà nội – 2014


LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô ở Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội
trong suốt quá trình đào tạo thạc sĩ đã cung cấp kiến thức và phương pháp để em
có thể áp dụng trong nghiên cứu giải quyết các vấn đề trong luận văn của mình.
Xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Võ Thông , người đã nhiệt
tình hướng dẫn em thực hiện luận văn này.
Hà Nội, ngày...../...../2014
HỌC VIÊN

Nguyễn Viết Hiện


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học
độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung
thực và có nguồn gốc rõ ràng.

HỌC VIÊN

Nguyễn Viết Hiện


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 1
Mục tiêu , đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận văn ....................... 1
Mục tiêu của luận văn: ..................................................................................................... 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 1
Phương pháp nghiên cứu.................................................................................................. 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ...................................................... 2
Cấu trúc của luận văn. ...................................................................................................... 2
Chương I: Tổng quan về khung liên hợp thép – bê tông cốt thép ............................ 3
1.1.Tổng quan về kết cấu khung liên hợp thép - bê tông ................................................. 3
1.1.1. Khái niệm về khung liên hợp thép – bêtông cốt thép ............................................ 3
1.1.2. Cấu tạo khung liên hợp .......................................................................................... 3
1.1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép bêtông............................... 6
1.1.4. Kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam ........................................................ 9
1.2. Một số nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước .................................................... 13
1.3. Tính ưu việt của kết cấu liên hợp ............................................................................ 13
1.4. Nguyên tắc thiết kế kết cấu liên hợp ....................................................................... 15
1.4.1. Sàn liên hợp .......................................................................................................... 15
1.4.2. Dầm liên hợp ........................................................................................................ 16
1.4.3. Cột liên hợp ......................................................................................................... 19
1.5. Vật liệu sử dụng trong khung liên hợp thép -bê tông cốt thép ................................ 19
1.5.1. Bê tông ................................................................................................................. 19
1.5.2. Cốt thép thanh ...................................................................................................... 20
1.5.3.Thép kết cấu .......................................................................................................... 21

Chương II: Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết tính toán ............................................... 22
2.1. Vật liệu tính toán khung liên hợp thép - bê tông cốt thép ....................................... 22
2.1.1. Bê tông ................................................................................................................. 22
2.1.2. Cốt thép thanh ...................................................................................................... 24
2.1.3.Thép kết cấu .......................................................................................................... 25


2.2. Các loại tải trọng tác dụng thay đổi ở Việt Nam so với tiêu chuẩn Eurocode 4 .... 26
2.2.1.Tải gió ................................................................................................................... 26
2.3. Phân tích nội lực...................................................................................................... 29
2.3.1. Độ cứng tương đương cột .................................................................................... 29
2.3.2.Phần mềm phân tích nội lực .................................................................................. 29
2.4. Tính toán các cấu kiện trong khung liên hợp thép bê tông cốt thép ....................... 29
2.4.1.Tính toán cấu kiện dầm ......................................................................................... 29
2.4.2. Tính toán cấu kiện cột .......................................................................................... 45
2.4.3. Tính toán liên kết cấu kiện dầm và cấu kiện cột .................................................. 52
2.5. Trình tự tính toán khung liên hợp thép - bê tông cốt thép ...................................... 60
Chương III: Ví dụ tính toán khung liên hợp thép –bê tông cốt thép ...................... 62
3.1.Kích thước hình học điều kiện ví dụ tính toán ......................................................... 62
3 .1.1.Kích thước khung ................................................................................................. 62
3.1.2.Chọn sơ bộ kích thước tiết diện. ........................................................................... 63
3.2.1.Bê tông cấp độ bền B30 ........................................................................................ 65
3.2.2.Cốt thép thanh nhóm AIII ..................................................................................... 65
3.2.3. Thép kết cấu XCT42 ............................................................................................ 65
3.3.Tải trọng tính toán .................................................................................................... 65
3.3.1.Tĩnh tải .................................................................................................................. 65
3.3.2.Hoạt tải .................................................................................................................. 69
3.3.3.Tải gió ................................................................................................................... 78
3.4.Tính toán khung ....................................................................................................... 79
3.4.1. Phân tích nội lực................................................................................................... 79

3.4.2.Tính toán cấu kiện dầm ......................................................................................... 95
3.4.3.Tính toán cấu kiện cột ........................................................................................... 98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 111


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Trong phần này sử dụng các ký hiệu cơ bản sau:
1. Các đặc trưng hình học
a, a '

lần lượt là khoảng cách từ hợp lực của cốt thép chịu kéo và chịu nén đến

biên gần nhất của tiết diện;
khoảng cách từ hợp lực của nội lực trong cốt thép (cốt cứng và cốt mềm)

a1

chịu kéo đến biên chịu kéo tiết diện;
a

khoảng cách từ trục của cánh trên của cốt cứng đến biên chịu nén tiết diện;

A

diện tích toàn bộ tiết diện ngang của bê tông;

Ab

diện tích tiết diện của vùng bê tông chịu nén;

As , As' lần lượt là diện tích tiết diện của cốt mềm chịu kéo và chịu nén;
Asr , Asr'

lần lượt là diện tích tiết diện phần cốt cứng nằm trong vùng chịu

kéo và chịu nén;
Asr , f , Asr' , f

lần lượt là diện tích tiết diện các cánh của cốt cứng nằm trong vùng

chịu kéo và chịu nén;
b

b

chiều rộng tiết diện chữ nhật;

bf

chiều rộng cánh tiết diện chữ I;

eo

độ lệch tâm của lực dọc đối với trọng tâm của tiết diện;

e1

độ lệch tâm có kể đến ảnh hưởng của uốn dọc;

ea

độ lệch tâm ngẫu nhiên;

h

chiều cao của tiết diện chữ nhật;

h'

khoảng cách từ biên chịu nén của bê tông đến trọng tâm cốt mềm chịu

kéo;
ho

chiều cao làm việc của tiết diện, bằng h-a1 ;


i

bán kính quán tính của tiết diện ngang của cấu kiện đối với trọng tâm tiết

diện;
ired

bán kính quán tính của tiết diện thẳng góc quy đổi trong mặt phẳng tương

ứng;
I

mô men quán tính của tiết diện bê tông đối với trọng tâm tiết diện của cấu

kiện;
I red

mô men quán tính của tiết diện quy đổi đối với trọng tâm của nó;

Is

mô men quán tính của tiết diện cốt mềm đối với trọng tâm của tiết diện

cấu kiện;
I sr mô men quán tính của tiết diện cốt cứng đối với trọng tâm của tiết diện cấu

kiện;
r

khoảng cách từ biên chịu nén của bê tông đến trọng tâm của cốt cứng;

l chiều

dài hình học cấu kiện;

lo chiều dài tính toán của cấu kiện chịu tác dụng của lực nén dọc;
tw

chiều dày bản bụng tiết diện chữ I;

t f ,tb

chiều dày trung bình bản cánh thép tiết diện chữ I cán nóng;

tf

chiều dày bản cánh thép tiết diện chữ I;

x

chiều cao vùng bê tông chịu nén;

Wp

mô men kháng uốn dẻo của cốt cứng;

W

mô men kháng uốn đàn hồi.

2. Nội lực
M

mô men uốn;

N lực

dọc;

Q

lực cắt.

3. Các đặc trưng vật liệu


Eb

mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông khi nén và kéo;

Es

mô đun đàn hồi của cốt mềm;

Esr

mô đun đàn hồi của cốt cứng;

Rbn

cường độ chịu nén tiêu chuẩn dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái

giới hạn thứ nhất (cường độ lăng trụ);
Rbnt

cường độ chịu kéo tiêu chuẩn dọc trục của bê tông ứng với các trạng thái

giới hạn thứ nhất;
Rb , Rb ,s

cường độ chịu nén tính toán dọc trục của bê tông ứng với trạng thái

giới hạn thứ nhất và thứ hai;

Rbt , Rbt , ser

cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của bê tông ứng với các trạng

thái giới hạn thứ nhất và thứ hai;
Rsw

cường độ chịu kéo tính toán của cốt thép ngang;

Rs , Rs , ser

cường độ chịu kéo tính toán của cốt mềm ứng với trạng thái giới hạn thứ

nhất và thứ hai;
Rsc cường độ chịu nén tính toán của cốt mềm ứng với trạng thái giới hạn thứ

nhất;


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
SỐ HIỆU HÌNH

TÊN HÌNH

Hình 1.1.

Hệ khung liên hợp

Hình 1.2.

Hệ khung liên hợp nhà cao tầng ở nhật

Hình 1.3.

Một số mặt cắt ngang cột liên hợp

Hình 1.4.

Nút liên kết giữa hai dầm liên hợp trực giao

Hình1. 5.

Khung liên hợp thép bê tông cốt thép

Hình 1.6.

Citibank Duisburg (Đức)

Hình 1.7.

Tháp thiên niên kỷ (Viên – Áo ) 55 tầng dùng kết cấu liên
hợp

Hình 1.8.

Công trình trụ sở làm việc Bộ ngoại giao

Hình 1.9.

Khu trung tâm thương mại 5 tầng toàn nhà BITEXCO

(TP HCM) bằng kết cấu liên hợp thép bêtông cốt thép

Hình 1.10.

Bệnh viện Chợ Rẫy TP HCM

Hình 1.11.

Công trình tháp Tricon

Hình 1.12.

Khách sạn JW Marriott Hanoi

Hình 1.13.

Công trình SEVT Thái Nguyên

Hình 1.14.

HUD Tower Hà Nội

Hình 2.1.

Chiều rộng tham gia làm việc của tấm đan đối với 1 dầm

Hình 2.2.

Nhịp tương đương để xác định

Hình2.4.

Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản bê
tông (uốn dương)

Hình 2.5.

Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản cánh
thép dầm(chịu momen dương)

Hình 2.6.

Biểu đồ ứng suất khi trục trung hòa đi qua bản bụng dầm


thép(momen uốn dương)
Hình 2.7.

Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua cánh dầm
thép(momen uốn âm)

Hình 2.8.

Sự phân bố ứng suất dẻo khi trục tung trung hòa đi qua
bản bụng(momen uốn âm)

Hình 2.9.

Ảnh hưởng của lực cắt đến sức bền khi uốn

Hình2.10.

Liên kết dầm cột liên hợp

Hình 2.11.

Chốt hàn trong cột liên hợp

Hình 2.12.

Các giới hạn phân loại mối nối(kết cấu có giằng).

Hình 2.13.

Mối nối dầm – cột

Hình 2.14.

Mối nối bằng sườn đầu dầm

Hình 3.1.

Sơ đồ kết cấu khung

Hình 3.2.

Tiết diện thép kết cấu dầm

Hình 3.3.

Tiết diện cột

Hình 3.4.

Sơ đồ bao nội lực nén

Hình 3.5.

Sơ đồ bao nội lực cắt

Hình 3.6.

Sơ đồ bao nội lực mômen

Hình 3.7 .

Sơ đồ uốn cột

Hình 3.8.

Sơ đồ chịu uốn và nén của cột

Hình 3.9.

Biểu đồ tương tác


DANH MỤC CÁC BẢNG
SỐ HIỆU BẢNG,

TÊN BẢNG BIỂU

BIỂU
Bảng 2.1.

Các đặc trưng cơ học của bêtông theo Eurocode 4

Bảng 2.2.

Giá trị fcm của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4

Bảng 2.3.

Lớp độ bền bê tông giữa Eurocode với TCVN 5574:2012

Bảng 2.4.

Thép thanh dùng cho kết cấu BTCT theo TCVN 5574:2012

Bảng 2.5.

Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng theo TCVN
5575

Bảng 2.6.

Áp lực gió tiêu chuẩn (W(20y,3’’,B)) ứng với các vùng áp lực
gió

Bảng 2.7.

Hệ số chuyển đổi áp lực gió Kcđ từ chu kỳ lặp 20 năm sang
các chu kỳ khác

Bảng 2.8.

Vận tốc gió tiêu chuẩn v(20y,3’’,B) ứng với các vùng áp lực gió

Bảng 2.9.

Vận tốc gió cơ bản vb ứng với các vùng áp lực gió

Bảng 3.1.

Bảng tải trọng tiêu chuẩn

Bảng 3.2.

Tổng tải trọng tác dụng lên sân thượng

Bảng 3.3.

Tải trọng tĩnh tải hoạt tải

Bảng 3.4.

Bảng tính hệ số K

Bảng 3.5.

Bảng kết quả nội lực cấu kiện cột

Bảng 3.6.

Bảng kết quả nội lực cấu kiện dầm


1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong các loại kết cấu chịu lực thì dạng kết cấu khung là dạng kết cấu
được sử dụng tương đối phổ biến. Trước đây dạng kết cấu thường được sử
dụng vật liệu là bê tông cốt thép hoặc thép.
Những năm gần đây, do nhận thấy kết cấu liên hợp Thép – Bê tông cốt
thép có nhiều ưu điểm nên dạng kết cấu khung liên hợp Thép – Bê tông cốt
thép được sử dụng nhiều nhất đối với nhà cao tầng.
Khung bê tông cốt thép và khung thép là kết cấu phổ biến sử dụng trong
nhà cao tầng, thấp tầng, một tầng đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới
cũng như tại Việt Nam.
Ở các nước trên thế giới phát triển như Châu Âu, Mỹ, Úc, Nhật Bản…đã có
các tiêu chuẩn để tính toán thiết kế cho kết cấu liên hợp trong đó có kết cấu
khung liên hợp Thép – Bêtông cốt thép còn ở Việt Nam thi chưa có tiêu chuẩn
này.
Do đó tác giả đã lựa chọn đề tài “Ngiên cứu tính tóan khung liên hợp thép
– bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu trong điều kiện Việt Nam” cho
luận văn thạc sĩ kỹ thuật.
Mục tiêu , đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của luận văn:
- Nghiên cứu tính toán khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn

Châu Âu trong điều kiện Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Kết cấu khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu
trong điều kiện Việt Nam
- Phạm vi nghiên cứu:


2

+ Tính toán khung liên hợp Thép – Bêtông cốt thép dùng cho nhà cao tầng
theo tiêu chuẩn Eurocode 4 có xét đến các đặc thù Việt Nam như vật liệu sử
dụng;
Số liệu điều kiện của Việt Nam
+ Khảo sát cho một ví dụ cụ thể tìm ra các kết luận và kiến nghị
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết và phương pháp tính kết cấu khung liên hợp thép – bê
tông cốt thép và những thành tựu ứng dụng của kết cấu này trên thế giới và tại
Việt Nam.
- Áp dụng khảo sát và ứng dụng tính tóan khung liên hợp thép – bê tông cốt
thép
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Về ý nghĩa khoa học và thực tiễn nghiên cứu vận dụng lý thuyết tính toán
khung liên hợp thép – bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu trong điều
kiện Việt Nam.
Cấu trúc của luận văn.
- Nội dung của luận văn như sau:
Mở đầu
Chương I: Tổng quan về khung liên hợp thép – bê tông cốt thép
Chương II: Các cơ sở lý thuyết tính toán
Chương III: Ví dụ tính toán khung liên hợp thép –bê tông cốt thép

Kết luận


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận
Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán nói chung đối với khung liên hợp thép
- bê tông kết hợp với ví dụ tính toán cụ thể để ứng dụng trong xây dựng dân dụng
và công nghiệp tác giả rút ra một số kết luận như sau:
- Kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép được sử dụng hiệu quả với kết
cấu nhà cao tầng chịu tải trọng lớn và yêu cầu hạn chế về tiết diện tối đa vầ tiết diện
dầm và tiết diện cột . Tuy nhiên việc tính toán thiết kế loại kết cấu này vẫn chưa
phổ biến và chưa có tiêu chuẩn thiết kế ở Việt Nam
- Việc thiết kế tính toán kết cấu khung liên hợp thép bê tông được tính theo
tiêu chuẩn Eurocode 4. Khi xét trong điều kiện Việt Nam, cần chú ý đến các yếu tố
như vật liệu như: Bê tông, Thép kết cấu, Thép cốt và điều kiện địa hình, vận tốc gió.
- Các kết quả thu được sau quá trình nghiên cứu:

Căn cứ vào lý thuyết tính toán kết cấu liên hợp nói chung theo tiêu chuẩn
Eurocode 4, Trình bày một số tính toán cụ thể về khung liên hợp và đưa ra quy trình
tính toán khung liên hợp thép bê tông cốt thép trong điều kiện vật liệu, tải trọng, gió
ở Việt Nam.
Sau khi nghiên cứu tính toán khung liên hợp thép bê tông cốt thép theo tiêu
chuẩn Eurocode 4 trong điều kiện Việt Nam thì thấy có thể áp dụng tiêu chuẩn
Eurocode 4 để tính toán thiết kế kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép cho
các công trình cao tầng ở Việt Nam sử dụng kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt
thép qua quá trình quy đổi các dữ liệu đầu vào như vật liệu, tải trọng, gió.

Kiến nghị
Trong xu hướng phát triển ngành xây dựng như hiện nay, khả năng ứng
dụng kết cấu khung liên hợp thép bê tông cốt thép trong nhà cao tầng nhằm
giảm kích thước tiết diện và nâng cao hiệu quả kinh tế là khả thi. Để có thể áp
dụng nhiều hơn cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng hơn nữa để giúp các kỹ sư
có thêm các phương án kết cấu trong thiết kế kết cấu nhà cao tầng.
Khi thiết kế khung liên hợp thép bê tông cốt thép thì cần chú ý như sau :


112

+ Quy đổi vật liệu sử dụng.
+ Tính độ cứng tương đương.
+ Quy đổi tốc độ gió.
Các công thức tính toán trong đề tài là sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu
liên hợp thép bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Eurocode 4, do đó cần nghiên
cứu thêm bằng thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác cao hơn. Cần mở rộng
nghiên cứu nhiều dạng khung liên hợp thép bê tông cốt thép khác nhau vì
trong đề tài này tác giả chưa xét hết các trường hợp các loại khung liên hợp.

113

Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
1.Phạm Văn Hội, Kết cấu liên hợp thép bê tông dung trong nhà cao tầng ,
Nhà xuất bản khoa họcvà kỹ thuật
2. Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2008), Kết cấu bê
tông cốt thép (Phần cấu kiện cơ bản), Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà
Nội.
3. Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Xuân Liên,
Nguyễn Phấn Tấn (2004), Kết cấu Bê tông cốt thép,Nhà xuất bản Khoahọc và
kỹ thuật, Hà Nội.
4. Ngô Thế Phong, Lý Trần Cường, Trịnh Kim Đạm, Nguyễn Lê Ninh
(1996), Kết cấu Bê tông cốt thép,Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
5. Lều Thọ Trình, Lê XuânHuỳnh, Nguyễn Văn Phượng (1995), Cơ học kết
cấu Tập 1,2,Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
6. TCVN 2737:1995, Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.
7. TCXDVN 338:2005, Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
8. TCVN 5574:2012, Kết cấu bê tông và Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu
chuẩn thiết kế.
Tiếng Anh
9. EC4: ENV 1994-1-1: Eurocode 4: Design of Composite Steel and
Concrete Structures Part 1.1: General rules and rules for buildings
10.EC2:EN1992-1-1 : Eurocode 2: Design of concrete structures.